PPC905AE101 3BHE014070R0101 检查运输用燃料电池

　　在电解中，电将水分解成氢气和氧气，在阴极产生氢气，在阳极产生氧气，比例为2:1(H2o)。相反，在氢燃料电池中，氢与氧(来自空气或纯源)结合产生电流，唯一的副产品是水和热。

　　虽然燃料电池技术通常被认为是现代的，但它可以追溯到19世纪初科学家Humphrey Davy爵士和William Grove爵士建造的第一个原型。20世纪60年代，实用的氢燃料电池技术被开发出来，为焊接设备、农用拖拉机甚至太空任务提供动力。他们进一步发展的一个重大障碍是设计耐用的界面技术，将电池中的气体与液体电解质分开。界面需要透气、导电，并能抵抗电解质腐蚀和产生的热量。如今，使用质子交换膜(PEM)的结构已经在很大程度上解决了这些问题，使堆叠式燃料电池成为运输和住宅能源等多个领域清洁高效电力的可行选择。

　　图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　交通运输中的燃料电池

　　燃料电池是交通运输中越来越有吸引力的选择，它提供了化石燃料的替代品，并有助于减少温室气体排放。燃料电池电动汽车(FCEV)许多主要汽车制造商，如宝马、丰田、本田和现代，都在生产氢燃料汽车。燃料电池电动汽车提供了某些优势电池电动汽车(BEV)，特别是对于长途旅行，因为加油速度更快，航程潜力更大。

　　高压加氢站的操作类似于传统的燃料泵，而电动汽车通常需要长时间的充电或更大、更重的电池。这使得燃料电池成为长途卡车运输、公共汽车和其他重型运输应用的理想选择，在这些应用中，快速加油、更轻的重量和更长的里程是关键因素。因此，燃料电池电动汽车越来越多地应用于卡车运输和铁路运输，而清洁燃料电池驱动的公共汽车和有轨电车已经在许多城市地区出现。此外，小规模的FC装置可以很容易地改装到冷藏集装箱和拖车上，避免了连续运行柴油发动机来保持易腐货物低温的需要。

　　燃料电池是将气态燃料(通常是氢)的化学能直接转化为电能的电化学装置。这个过程发生在一个反应室，或“细胞”(图1)。当氢作为燃料时，这个过程类似于反向电解。

　　图一。电解电池与燃料电池示意图。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　氢燃料电池也应用于固定电力系统，为建筑物、工业场所甚至整个社区供电。燃料电池具有内在的可扩展性:增加更多的电池可以增加电压，扩大电池表面积可以增加电流，并联多个电池堆可以提高功率。然而，由于单个电池产生的电压相对较低(0.5-0.8V)，燃料电池通常堆叠在一起，以高电流(数百安培)提供200 V-300 V的有用输出电压，从而简化结构(图2)。

　　图二。燃料电池堆结构。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　便携式电源应用是燃料电池的另一个有前途的用途，特别是在军事、医疗和消费电子领域。燃料电池比传统电池提供更长的工作时间，这在偏远、离网或紧急情况下是一个优势。例如，美国军方正在开发小型燃料电池为野战设备供电，以减少士兵对重型电池组的依赖。

　　尽管最近取得了进展，燃料电池能源仍然面临着固有的技术挑战，阻碍了广泛采用。应对这些挑战对于氢燃料电池在我们的能源转型中发挥重要作用至关重要。

　　反应时间问题

　　由于燃料电池通过涉及两种气体的化学反应发电，当燃料渗透通过电池堆时，气体供应和电力输出之间存在延迟(图3)。对于固定的静止应用，这种延迟是可管理的。然而，对于氢燃料电池汽车，即使是短暂的反应延迟也是不可接受的，因此燃料电池驱动的汽车也使用高压(HV)电池来提供即时动力和加速。然而，这些HV电池可以相对较小，因为它们由燃料电池组连续充电。

　　图3。燃料电池堆反应时间。图片由洛林LEMTA大学提供博多的动力系统[PDF]

　　另一个挑战是紧急制动。与可以迅速关闭的燃油发动机不同，燃料电池需要冲洗掉反应气体才能停止发电。这使得关机过程相对较慢。

　　图4。RECOM的模块化5x 15千瓦(75千瓦)燃料电池DC-DC转换器。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　燃料电池系统中的DC/DC转换器

　　DC/DC转换器解决了反应延迟和关闭问题，同时管理燃料电池和电池组之间的接口。

　　他们:

　　充当升压转换器，将燃料电池的低电压、高电流输出转换为高电压、低电流的电池充电输出

　　稳定启动和关闭斜坡，减轻任何负载瞬变，提供电池组所需的稳定充电电压

　　跟踪燃料电池的最大功率点(MPP)，根据负载、时间和温度进行调整，以保持最佳效率

　　紧急情况下突然断开燃料电池堆

　　监控电池电压和电流，防止过度充电或深度放电，并安全处理任何电池故障

　　与车辆的CAN总线通信系统集成，实现集中监控

　　RECOM的模块化15 kW DC/DC解决方案通过并联连接五个模块提供高达75 kW的功率，适合重型应用，如卡车、船舶、铁路车辆和高功率离网电动汽车充电站。该转换器的标称输入电压为150 VDC，但工作电压范围为46至275 VDC，峰值效率约为94%。输出电压可以设置在200 V至800 V之间，以匹配牵引电池，最大输入电流为500 A，最大输出电流为85 A至220 A。板载微控制器可将输入和输出电压监控在设定电压的2%和设定电流的5%范围内。该解决方案也符合冲击和振动ECER100标准，而集成式ECER10 EMC滤波器允许在汽车应用中直接安装。

　　液体冷却实现了紧凑的设计和宽的工作温度，75 kW的装置尺寸仅为750 x 400 x 200mm。DC/DC转换器在-40°C至+50°C的环境温度下以全功率工作，具有内置短路、输出过流、输出过压保护和冷却系统故障时自动关断功能。

　　图5。模块化75千瓦DC/DC转换器。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　每个15 kW模块采用两级、四相交错升压转换器，允许在宽范围的输入和输出电压下高效工作。数字控制确保精确监控所有电流和电压，在所有负载条件下保持最佳性能，并确保对任何故障做出快速响应。

　　该架构是模块化和多功能的，允许针对从15 kW到75 kW的不同输出电压或功率要求进行优化。单元之间的并联连接也允许扩展，实现高达225 kW的配置，是高功率离网BEV充电器的理想选择。

　　J1939 CAN总线接口连接器提供有线紧急停机和报警信号以及数字接口。

　　燃料电池的未来

　　燃料电池为实现更清洁、更可持续的能源前景提供了一条多用途、充满希望的途径，代表着向应对气候变化所需的脱碳目标迈出了关键的一步。当与可编程千瓦DC/DC转换器配对时，燃料电池为难以电气化的部门提供了实用的解决方案，氢燃料电池汽车可以帮助减少我们对电动汽车的过度依赖和对电网的过度压力。